Енергетичні і термодинамічні характеристики гірських порід як показники їх здатності до ґрунтоутворення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Енергетичні і термодинамічні характеристики гірських порід як показники їх здатності до ґрунтоутворення

Сприятливі фізичні властивості полідисперсних полімінеральних гірських порід обумовлюють можливість виникнення рослинного покриву після винесення їх на денну поверхню при гірничодобувних роботах. З часом акумуляція біофільних елементів у верхніх шарах створює умови для ґрунтотворного процесу, інтегрованим показником якого є накопичення гумусу. За висловом В.Р. Вільямса (1947) «горная порода, чтобы стать почвой, должна развить два новых свойства, слагающих существенный признак почвы - ее плодородие. Она должна приобрести способность к образованию и сохранению запаса воды…, сконцентрировать и удержать необходимый для развития растений запас элементов их зольной и азотной пищи».

В зв'язку з цим цікавим є вивчення процесів ґрунтоутворення з енергетичної точки зору. Для оцінки потенційної здатності гірських порід до ґрунтоутворення і гумусонакопичення в процесі біологічного освоєння вивчали їх термодинамічні характеристики.

Як зазначає В.Р. Волобуєв (1974), з точки зору термодинаміки, енергія кристалічної решітки це енергія, яку потрібно затратити для руйнування однієї грам-молекули кристалічної речовини до стану газоподібних одноатомних іонів, безкрайньо віддалених один від одного.

В мінералогії важливою термодинамічною функцією є вільна енергія Гіббса. Вона характеризує ту частину енергії, за рахунок якої при відповідних умовах може здійснюватись корисна робота.

Енергію кристалічної решітки і вільну енергію Гіббса І.Ш. Іскандеров (1974) пропонує розраховувати за емпіричними формулами. Маючи кількісні дані про склад мінералів, обраховуються основні термодинамічні функції ґрунтів. Враховуючи складність точного визначення мінерального складу ґрунтів, В.Р. Волобуєв (1963, 1968) запропонував вважати мінеральну частину ґрунту сумою оксидів, а для розрахунків енергії кристалічної решітки та вільної енергії Гіббса використовувати дані валового хімічного аналізу мінеральної частини ґрунту. Кількість енергії в окремих оксидах брали з таблиць, приведених А.Є. Ферсманом (1934), а константи вільної енергії з термодинамічних довідників (Карапетянц, Карапетянц, 1968; Карпов, 1968).

Аналіз даних таблиці 1 свідчить, що запаси внутрішньої енергії (енергія кристалічної решітки, вільна енергія Гіббса та ентропія мінеральної частини) в полімінеральних гірських породах менші, ніж в зональному ґрунті. Як зазначає В.А. Ковда (1973), потенційна родючість ґрунтів обернено пропорційна запасу їх внутрішньої енергії. Отже, полімінеральні гірські породи мають досить сприятливі умови для біологічного освоєння. Вони мають більшу реакційну спроможність в порівнянні із зональним ґрунтом, що є передумовою інтенсивного ґрунтоутворюючого процесу.

Отже, енергія кристалічної решітки в гірських породах має менші показники, ніж в зональному ґрунті (за винятком мономінерального древньоалювіального піску) відповідно 97166 і 185 МДж/кг. Меншою є й вільна енергія Гіббса відповідно 8,612,2 та 13,2 МДж/кг, а також ентропія мінеральної частини 524600 та 654 КДж/кг. Такі показники обумовлюють більшу реакційну спроможність полімінеральних гірських порід в порівнянні із зональним ґрунтом, що є передумовою для інтенсивного ґрунтотворного процесу.

рекультивація гірський едафотоп ґрунтоутворювальний

Таблиця 1. Термодинамічні характеристики мінеральної частини субстратів, КДж/100 г.

За термодинамічними характеристиками сприятливість до біологічного освоєння гірських порід визначається таким рядом: сіро-зелена мергелиста глина > темно-сіра глина > червоно-бура глина > лесоподібний суглинок > яблучно-зелена глина > червоно-бурий суглинок > сіро-зелена безкарбонатна глина > древньоалювіальний пісок.

Таким чином, кількісні показники енергії кристалічної решітки, вільної енергії Гіббса та ентропії мінеральної частини можна використовувати при оцінці здатності субстратів до ґрунтоутворення.

Результати енергетичних показників підтверджуються багаторічними польовими та вегетаційними дослідами з біологічного освоєння літоземів (моделей штучних едафотопів без використання гумусованої маси зонального ґрунту), які проводяться на науково-дослідному стаціонарі з рекультивації земель Дніпропетровського державного аграрного університету в Нікопольському марганцеворудному басейні.

Як свідчать дані таблиці 2, на початку багаторічного вегетаційного досліду в органічних компонентах гірських порід вміст енергії був у 8,414,9 разів менше, ніж в зональному ґрунті (за винятком темно-сірої глини, в якій міститься до 1,6% органічної речовини, що пояснюється їх генезисом це «законсервована» органіка морських міоценових відкладів, яка досить інертна на перших етапах біологічного освоєння).

З даних таблиці 2 видно, що за 19-річний період біологічного освоєння вміст енергії в органічних компонентах гірських порід в порівнянні з первинним збільшився в 2,8 4,4 рази (в темно-сірій глині в 1,6 рази), тоді як в зональному ґрунті лише в 1,1 рази. Найбільший приріст енергії зафіксовано в сіро-зеленій мергелистій глині, лесоподібному суглинку та темно-сірій глині. За темпами акумуляції енергії органічними компонентами кращі показники мають древньоалювіальний пісок (вміст енергії збільшився в 4,4 рази), зелена безкарбонатна та сіро-зелена мергелиста глини (в 4 рази).

Таким чином, процеси гуміфікації і акумуляції енергії органічною речовиною в гірських породах відбуваються значно інтенсивніше, ніж в зональному ґрунті, що підтверджує можливість використання енергетичних і термодинамічних характеристик субстратів при прогнозуванні їх ґрунтотворного потенціалу.

Високі темпи акумуляції енергії в органічних компонентах підтверджуються й результатами багаторічного польового досліду з сільськогосподарського освоєння літоземів, представлених технічною сумішкою червоно-бурих глин і суглинків та сіро-зеленими мергелистими глинами (таблиця 3).

Таблиця 2. Динаміка гумусоутворення в субстратах за 19-річний період їх біологічного освоєння (за даними багаторічного вегетаційного досліду)

Примітка. Чергування культур в досліді по рокам: люцерна посівна 2 роки чистий пар ярий ячмінь горох, поукісно ячмінь кукурудза люцерна 1 рік ярий ячмінь люцерна 4 роки ярий ячмінь 3 роки горох ярий ячмінь люцерна 1рік ярий ячмінь.

Таблиця 3. Біоенергетичні показники гумусоутворення при освоєнні літоземів в польовому багаторічному досліді (Науково-дослідний стаціонар ДДАУ, 19712002 рр.)

Примітки: 1 агросукцесія: люцерна посівна 4 роки ярий ячмінь еспарцет піщаний 5 років ярий ячмінь бобово-злакова травосуміш 9 років чистий пар озима пшениця бобово-злакова травосуміш 10 років; 2 агросукцесія: люцерна посівна 4 роки чистий пар ярий ячмінь ярий ячмінь чистий пар озима пшениця ярий ячмінь чистий пар озима пшениця ярий ячмінь кукурудза горох ярий ячмінь горох ярий ячмінь горох ярий ячмінь чистий пар озима пшениця озима пшениця бобово-злакова травосуміш 9 років.

Дані таблиці 3 свідчать, що процес гумусонакопичення залежить не тільки від якісних характеристик субстратів, а також і від кількості та якості біомаси, що поступає в едафотоп і є основою для утворення органічної речовини. За 30-річний період вищі темпи акумуляції енергії виявились в сіро-зелених мергелистих глинах.

Висновки

1. Енергетичні і термодинамічні показники мінеральної частини субстратів (енергія кристалічної решітки, вільна енергія Гіббса, ентропія) дозволяють оцінювати їх ґрунтоутворювальний потенціал. Потенційна родючість субстратів обернено пропорційна запасу їх внутрішньої енергії.

2. Полімінеральні гірські породи мають сприятливі енергетичні і термодинамічні характеристики для їх успішного біологічного освоєння. Більша реакційна спроможність в порівнянні із зональним ґрунтом свідчить про можливість інтенсивного ґумусонакопичення.

3. Експериментально підтверджено, що полімінеральні гірські породи мають високий грунтоутворювальний потенціал. В процесі біологічного освоєння вміст енергії в органічній частині в цих субстратах збільшився в 2,84,4 рази, що є передумовою формування в майбутньому стійких стабільних едафотопів як компонента агроекосистеми на рекультивованих землях.

Перелік посилань